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Mouvements plans dans lesquels la tangente a une vitesse angulaire constante

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N

OUVELLES ANNALES DE MATHÉMATIQUES

C H . M ICHEL

Mouvements plans dans lesquels la tangente a une vitesse angulaire constante

Nouvelles annales de mathématiques 4e série, tome 17 (1917), p. 361-373

<http://www.numdam.org/item?id=NAM_1917_4_17__361_0>

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( 36i )

MOUVEMENTS PLANS DANS LESQUELS LA TANGENTE A UNE VITESSE ANGULAIRE CONSTANTE ;

PAR M. GH. MICHEL.

1. Je me propose d'établir un théorème très simple qui, je le crois du moins, n'a pas encore été remarqué.

En voici l'énoncé :

Etant donnée une courbe plane F, si un point M se meut sur cette courbe de façon que la direction de la tangente en M ait une vitesse angulaire cons- tante, la droite qui porte le vecteur-accélération est symétrique par rapport à la normale de la droite qui joint le point M au centre de courbure corres- pondant de la développée de F; et réciproquement.

En outre, le vecteur-accélération est dans un rapport constant avec le vecteur qui a pour origine le point M et pour extrémité le symétrique par rap- port à la normale du centre de courbure de la déve-

loppée.

Pour démontrer ce théorème, orientons le plan, puis la courbe F. Désignons par s l'abscisse curviligne du point M sur la courbe F, comptée à partir d'un certain point fixe de la .courbe. Orientons d'autre part la tan- gente en M, dans le même sens que la courbe; dési- gnons par 8 l'angle polaire de l'axe A ainsi défini sur la tangente, compté à partir d'un certain axe fixe du plan. Sur la normale en M à F, choisissons l'axe A' tel

Ann. de Mathémat., 4' série, t. XVII. (Oct. 1917.) 28

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que l'on ait (A, A') = H— • Soit I le centre de courbure correspondant au point M. On sait que, sur l'axe A', on a, en valeur absolue'et en signe,

Orientons la développée de F dans le même sens que sa tangente en I. Désignons par <r l'abscisse curviligne du point I, comptée à partir d'un certain point fixe de la développée ; on sait que l'on a

Sur la normale en 1 à la développée, choisissons l'axe A"

tel que l'on ait (A', A7) =:-+--. Soit I, le centre de

courbure de la développée correspondant au point I.

Sur l'axe A", on a, en grandeur et en signe,

Par suite, sur l'axe A, opposé à 1"T axe parallèle à A et de même sens que À, on a, en grandeur et en Mgne,

Trt

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( 363 )

Si K est le symétrique de I4 par rapport à I, on ar sur l'axe A, de même sens que A, en grandeur et en signer

Cela posé, supposons que la vitesse angulaire de la direction de la tangente en M à F soit constante; on a alors, t étant le temps,

—f- = X = eonst.

dt

Soient wT et ws les projections orthogonales du vecteur-accélération sur l'axe A et sur Paxe A'. On sait que l'on a, en grandeur eten signe,

dv v'1 r~~ dt' N ~~~ R * O r , o n a

ds ds rfO dt d?0 dt

Par suite, on a

dv dv «O . dW

\^ p __ __ __ yi dt dd dt <YÔ

Leb projections ortliogonale^du vecteur-accélération sur les axes A et A' ^ont donc proportionnelles aux pro- jections orthogonale^ du \ecteur MK. sur les mômes axes, le rapport de proportionnalité étant A2. Le vecteur- accélération est situé par suite sur la droite MK qui est symétrique par rapport à la tangente et à la normale en M à F de la droite qui joint le point M au centre de courbure lt de la développée ; en outre, il est dans le rapport constant X2 avec le vecteur MK.

En particulier, si la vitesse angulaire de la tangente

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( 364 )

en M est égale à -j- i ou à — i, l'extrémité du vecteur- accélération coïncide avec le point K.

Supposons, réciproquement, que le mouvement de M sur F soit tel que le vecteur-accélération de M soit constamment situé sur la droite MK. On a alors

« T = K2 —jjç > ws = n2 K,

(JL étant une certaine fonction de £. Il s'agit de montrer que |j. est constant. Or, on a

et, par suite, v = dz JJLR ; nous pouvons choisir l'égalité r = u,R. On en déduit

ds ds

d'où

do __

D'autre part, on a

. dR dv ._ du. d\i

et, comme on a

dR dR on ol)ti(3nt finalement

d'où il résulte bien que IJL est constant. Li vitesse angu- laire -r de la direction de la tangente en M est donc

constante.at °

Remarque. — Supposons que la vitesse angulaire

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( 365 )

de la direction de la tangente en M soit constante et égale à X. Il en est de même de la vitesse angulaire de la direction de la tangente en I à la développée. En appli- quant le théorème précédent, on voit que l'accéléra- tion du point 1 est située sur la droite qui joint le point I au symétrique K< du centre de courbure ï2 de la seconde développée par rapport au centre de cour- bure I4 de la première développée et qu'elle est dans un rapport constant égal à A2 avec le vecteur ÎK, ; et ainsi de suite.

Exemple. — Supposons que la courbe F soit une cycloïde ; soit L la droite qui passe par les points de rebroussement. On sait que, dans ce cas, la droite MI|

est constamment perpendiculaire à L et que la longueur Ml4 est constante et égale au double du diamètre du cercle générateur. L*\ droite symétrique de MJ1 par rapporta la tangente et à la normale en M à la cycloïde est alors, comme on le voit bien facilement, la droite qui joint le point AI au centre O du cercle générateur dans la position qui correspond au point M. On a ainsi le théorème suivant :

Si un point M se meut sur une cycloïde de façon que la vitesse angulaire de la direction de la tan- gente en M soit constamment égale à un nombre fixe A, le vecteur-accélération de M est situé sur la droite qui joint le point M au centre O du cercle générateur et il a une longueur constante, égale à 4 A2 a, a étant le rayon du cercle générateur. Réci- proquement, si le point M se meut sur la cycloïde

de façon que le vecteur-accélération soit constam- ment situé sur la droite MO, la vitesse angulaire de la direction de la tangente en M est cons- tante.

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( 366 )

2. Supposons que le point M se déplace sur la courbe F de façon que la vitesse angulaire de la tan- gente en M soit constamment égale à i. La vitesse du point M est alors un vecteur qui a pour projections orthogonales sur les axes A et A' respectivement R et o.

La vitesse du centre de courbure I correspondant esl en même temps un \ecteur qui a pour projections orthogonales sur A et A' respectivement o et -^p II -en résulte que la vitesse du milieu P du rayon de

courbure MI a pour projections orthogonales sur A et A'respectivement — et --ÛT- D'autre part, le vecteur Mlj a pour projections orthogonales sur A et A' respec- tivement -JT- et R. On reconnaît immédiatement que la vitesse de P est perpendiculaire à MI4. On a ainsi le théorème suivant :

M étant un point variable d'une courbe plane I\

la tangente au lieu du milieu du rayon de cour- bure relatif à M est perpendiculaire à la droite qui joint le point M au centre de courbure correspon-

dant de la développée.

Soit, comme application, à trouver une courbe F telle que la droite qui joint un point M variable de cette courbe au centre de courbure correspondant de la développée ait une direction fixe. Pour qu'il en soit ainsi, il faut et il suffit que la tangente au lieu du milieu du rayon de courbure de F ait une direction fixe; autrement dit, il faut et il suffit que le milieu du rayon de courbure de F décrive une droite. Il en résulte -que la courbe F est une cycloïde.

3. Soit à déterminer, dans un plan, la trajectoire F

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d'un point mobile M, sachant que la vitesse angulaire de la direction de la tangente est constante et que le mouvement de la projection orthogonale m de M sur un axe fixe x'x est uniforme.

Dire que le mouvement de m est uniforme, c'#st dire que le vecteur-accélération du point M est cons- tamment perpendiculaire à x'x. Pour qu'il en soit ainsi, la vitesse angulaire de la direction de la tangente en M à F étant supposée constante, il faut et il suffiI que la droite symétrique par rapport à la tangente en M à F de la droite qui joint le point M au centrée de courbure \{ correspondant de la développée de F ait une direction fixe : telle est la propriété caracté- ristique qui définit géométriquement la courbe F.

Cette propriété rapproche la courbe F cherchée de la cycloïde.

Fig. 2.

Menons par M l'axe x\ xK parallèle à l'axe donné x1 x, et de même sens, puis, le plan étant supposé orienté, menons par M Taxe y\)\ tel que Ton ait

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Soit MV le vecteur-vitesse du point M ; projetons orthogonalement Ven H sura?^ X\. La vitesse du point m étant supposée constante, le vecteur MH est équi- pollenl a un vecteur fixe et il a sur Taxe x\xK une mesure algébrique constante a. Projetons 1 enU ortho- gonalement sur y\y\. En se servant des notations du paragraphe 1, on a, en grandeur et en signe,

Ml = \m\.

Par suite, les angles (xKx\,±) et (y{y\,M) étant égaux, on a, en grandeur et en signe,

Lu courbe cherchée est ainsi telle que la projection orthogonale sur un axe fixe du vecteur qui a pour ori- gine le point M de celte courbe et pour extrémité le centre de courbure I correspondant soit constante.

C'est donc la chaînette d'égale résistance de Coriolis.

Si Ton pose y — ƒ?, celte courbe a pour équation cartésienne, par rapport à Taxe x'x et à un axe y'y directement perpendiculaire à x'x,

y - y » - ]CQZX~'XO ( ~ x - x * TJ

.r0 et j o étant les coordonnées du point où la tangente est parallèle à x'x.

4. Je terminerai par la démonstration d'une pro- priété de la chainetle d'égale résistance qui se rattache aux questions précédentes, et qui est la suivante :

P étant le milieu du rayon de courbure MI de la chaînette dyégale résistance, le centre de courbure J

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( 369 )

du lieu de P est situé sur la parallèle à Vaxe de la chaînette d* égale résistance menée par le point I.

Nous avons établi au paragraphe 2 que la normale au lieu de P est parallèle à la droite MI|, \K étant le centre de courbure de la développée de la chaînette d'égale résistance. En reprenant les notations déjà employées, posons

(yy\ A') = 6.

Sur la droite MI< qui est symétrique par rapport à A de la parallèle à l'axe de la chaînette menée par M, il existe un axe D< tel que Ton ait

(yyf, 0 0 = 20.

Choisissons sur la normale au lieu de P l'axe S' de même sens que A, ; on a ainsi

(yyr, 8') = 20.

Puis, prenons sur la tangente au lieu de P l'axe S tel que Ton ait (3, 3') = -f- 7- et, par suite,

iyy', o) = 20 — ^ .

Orientons la courbe décrite par P dans le même sens que sa tangente et désignons par c, l'abscisse curvi- ligne du point P comptée à partir d'une certaine origine fixe sur la courbe.

On a, d'après une formule bien connue, rf(PI) = d<s — dsi cos(A', 8)

/'ô — ~J

=zdR — dSl sinO.

(11)

Mais, P étant le milieu de MI, on a d(P\) = Ld(Ml) = ^ . On a donc finalement

dsi SUIT) =

Gela posé, sur Taxe 8', on a, en grandeur et en signe,

P I dsx dSi

<?t, par suite,

pj dR

Soit J' la projection orthogonale de J sur A'. On a, sur A', en grandeur et en signe,

PJ'= PJ cos(A\ S') = PJ cosô

~~ 4 tang0 db'

Mais, sur l'axe A", passant pari, directement perpen- diculaire à A', on a

11 s'ensuit que l'on a, en se servant de-; projections orthogonales du vecteur MIt sur A' et sur A'',

dR

~M dR tangO = : _ = _ . On obtient, par suite, l'égalité

qui montre que J' est le milieu de PI. La droite IJ est donc symétrique de la droite PJ par rapport à la parai-

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lèle menée par J' à la tangente en M à l\ La droite symétrique de MI| par rapport à cette tangente étant parallèle à l'axe de la courbe F, la droite IJ est aussi parallèle à cet axe, et la propriété énoncée est établie.

La chaînette d'égale résistance est ainsi telle que la droite qui joint son centre de courbure à celui du lieu du milieu de son rayon de courbure ait une direction fixe. Cette propriété appartient aussi à la cycloïde ; dans le cas de la cycloïde, en effet, le milieu P du rayon de courbure MI décrit la droite L qui passe parles points de rebroussement, le centre de courbure J du lieu de P est à l'infini dans la direction des perpendiculaires à L, et la droite IJ est constam- ment parallèle à cette direction.

5. De ce qui précède il résulte aussi que, si la courbe F estime chaînette d'égale résistance, le centre de courbure .1 du lieu de P esta égale distance deV et du centre de courbure I de la courbe F.

Cette propriété est caractéristique de la chaînette d'égale résistance.

En effet, reprenons les notations du paragraphe 1 ; choisissons en outre sur MI< un axe D4 ; sur MK il existe un axe D2 tel que la normale en M à F soit la bissectrice de l'angle formé par D< et D2. Posons

(D2, D') = «.

Choisissons sur la normale au lieu du milieu P de Ml l'axe 8' de même sens que D< et sur la tangente en P à cette courbe Taxe 8 tel que l'on ait (8, o') = -«

Orientons le lieu de P dans le même sens que la tan gente et désignons par v{ l'abscisse curviligne de P .

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( 37a )

En vertu d'un calcul fait au paragraphe 4, on a

f . dR

dsx sina =

Si 9 désigne l'angle polaire de A par rapport à un axe fixe x'x, l'angle polaire de S' est égal à 9 H h a ; celui de 5 est égal à 9 -h a. J étant le centre de cour- bure du lieu de P, on a, sur l'axe S', en grandeur et en signe,

P J= * ' . et, par suite,

PJ = dR

Si Ton a JP = JI, la projection orthogonale J' de J sur MI est le milieu de PI ; on a donc, sur l'axe A',

Mais on a

PJ'=PJcos(A', S') = PJcosa.

Par suite, on a

dR _ R

2.(dÜ -+- da) tanga "~ 4

Mais, sur Taxe Af/ passant par I, directement perpen- diculaire à A', on a

11 s'ensuit que l'on a, en se servant des projections orthogonales du vecteur MI, sur A' et sur A",

tanga = -—=-dR

(14)

On obtient, par suite, l'égalité rfO _ i c'est-à-dire

d* = rf6, d'où l'on déduit

6 — a = const.

Or, l'angle polaire de D2 pa r rapporta Taxe une x'x est égal à 8 — a H On voit donc que la droite MK.

est parallèle à une droite fixe ; la courbe F est bien une chaînette d'égale résistance.

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